Газонаполненный разрядник

Полезная модель относится к газоразрядной техники и может быть использована при разработке высоковольтных приборов с субнаносекундной коммутацией для использования в мощных генераторах высоковольтных импульсов с длительностью фронтов менее 0,5 нс. Высокая электрическая прочность и стабильность срабатывания газонаполненного разрядника, содержащего оболочку, состоящую из металлического корпуса цилиндрической формы и расположенных в нем двух одинаковых изоляторов в виде полых усеченных конусов, большие основания которых соединены с основаниями металлического корпуса, два электрода, расположенные напротив друг друга на торцевых поверхностях меньших оснований изоляторов, внутри которых проходят осевые выводы соответствующих им электродов, экраны, защищающие место соединения выводов электродов с торцевыми поверхностями меньших оснований изоляторов, обеспечиваются за счет выбора диаметров электродов Д, экрана Д₁ внутренней поверхности металлического корпуса Д₂ и межэлектродное расстояние S связаны соотношениями: Д=(3÷5)S; Д₂ -Д₁/2S1,5; Д₁=(0,25÷0,6)Д₂, при этом электроды одновременно находятся под импульсным разнополярным напряжением, а металлический корпус под нулевым потенциалом

Полезная модель относится к газоразрядной техники и может быть использована при разработке высоковольтных приборов с субнаносекундной коммутацией для использования в мощных генераторах высоковольтных импульсов с длительностью фронтов менее 0,5 не.

Известен газонаполненный разрядник, содержащий оболочку, состоящую из металлического корпуса в виде цилиндрического стакана с отбортовкой и изолятора в виде полого усеченного конуса, два электрода, один из которых закреплен на внутренней поверхности дна цилиндрического стакана, а второй - на торцевой поверхности меньшего основания изолятора, соединенного другим основанием с отбортовкой корпуса, экран, закрывающий место соединения проходящего внутри изолятора вывода второго электрода с торцевой поверхностью меньшего основания изолятора, при этом диаметры электродов Д, экрана Д₁ внутренней поверхности металлического корпуса Д₂ и межэлектродное расстояние S связаны соотношениями:

Д=(3÷5)S;

Д₂-Д₁ /2S3;

Д₁=(0,25÷0,6)Д₂

[Патент РФ 2320048, H01J 17/04, опубл. 20.03.2008 г.]

В данной конструкции разрядника геометрические размеры его элементов выбраны таким образом, чтобы пробой происходил между электродами, а вероятность пробоя как между экраном и внутренней поверхностью корпуса, так и по поверхности изолятора исключалась. Эти условия обеспечиваются при выполнении вышеуказанных соотношений.

К недостаткам следует отнести сравнительно низкую электрическую прочность при ограниченных геометрических размерах разрядника.

Известен также газонаполненный разрядник, содержащий оболочку, состоящую из металлического корпуса с поперечной перегородкой, разделяющей его внутренний объем на верхнюю и нижнюю части, в каждой из которых расположен изолятор в виде полого усеченного конуса, соединенные большими основаниями с краями соответствующей части объема цилиндра, два соосных электрода, расположенных напротив друг друга в нижней части объема цилиндра - первый на перегородке, второй на торцевой поверхности меньшего основания изолятора, внутри которого проходит осевой вывод второго электрода, соединенный со вторым выводом, расположенным в изоляторе в верхней части объема цилиндра посредством проводников, проходящих через отверстия в перегородке и закрепленных на экране в нижнем объеме цилиндра и на переходном контакте в верхнем объеме цилиндра [Патент РФ 2379781, H01J 17/02, H01T 1/00, опубл. 20.01.2010 г.]

Основным преимуществом данного разрядника перед известными является возможность его использования в генераторах высоковольтных импульсов напряжения с субнаносекундной длительностью фронта с развязкой его входа и выхода и отсутствие рассогласования в самом разряднике, что будет обеспечиваться, если наименьший диаметр корпуса на выходе разрядника будет не более, чем на 10% меньше внутреннего диаметра цилиндра.

Недостатком разрядника является низкая надежность спаев с керамикой из-за многоступенчатой пайки разрядника и сравнительно низкая электрическая прочность при ограниченных размерах прибора. В данной конструкции разрядника электрическое поле при приложении импульса напряжения ограничивается внутренней поверхностью корпуса с перегородкой и металлокерамическим узлом с выводами, при этом изоляторы испытывают воздействие полного напряжения приложенного к электродам, поэтому его электрическая прочность ограничена при заданных геометрических размерах.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является газонаполненный разрядник, содержащий оболочку, состоящую из металлического корпуса цилиндрической формы и расположенных в нем двух одинаковых изоляторов в виде полых усеченных конусов, большие основания которых соединены с основаниями металлического корпуса, два электрода, расположенные напротив друг друга на торцевых поверхностях меньших оснований изоляторов, внутри которых проходят осевые выводы соответствующих им электродов, экраны, защищающие место соединения выводов электродов с торцевыми поверхностями меньших оснований изоляторов [Патент РФ 2331164, Н05G 1/22, опубл. 10.08.2008 г. - прототип]

Достоинством такого разрядника, входящего в состав импульсного генератора рентгеновского излучения, является возможность компактного расположения основных элементов генератора, что позволяет сократить линейные размеры коаксиала и уменьшить потери при прохождении высоковольтного наносекундного импульса от разрядника-обострителя до электродной системы рентгеновской трубки, что способствует увеличению мощности генератора.

К недостаткам следует отнести сравнительно невысокую электрическую прочность разрядника, определяемую геометрическими размерами изолятора, к которому прикладывается все импульсное напряжение источника, при этом второй изолятор по постоянной составляющей закорочен шунтирующей трубку индуктивностью и испытывает только действие высокочастотной составляющей напряжения после срабатывания разрядника-обострителя.

Задачей данной полезной модели является создание газонаполненного разрядника с высокой электрической прочностью и стабильностью срабатывания, используемого для формирования коротких высоковольтных импульсов амплитудой более 500 кВ с субнаносекундными фронтами.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном газонаполненном разряднике, содержащем оболочку, состоящую из металлического корпуса цилиндрической формы и расположенных в нем двух одинаковых изоляторов в виде полых усеченных конусов, большие основания которых соединены с основаниями металлического корпуса, два электрода, расположенные напротив друг друга и размещенные на торцевых поверхностях меньших оснований изоляторов, внутри которых проходят осевые выводы соответствующих им электродов, экраны, защищающие место соединения выводов электродов с торцевыми поверхностями меньших оснований изоляторов, диаметры электродов Д, экранов Д₁ внутренней поверхности металлического корпуса Д₂ и межэлектродное расстояние S выбраны согласно соотношениям:

Д=(3÷5)S;

Д ₂-Д₁/2S3;

Д₁=(0,25÷0,6)Д₂ ,

при этом электроды одновременно находятся под импульсным разнополярным напряжением, а металлический корпус под нулевым потенциалом.

Высокая электрическая прочность и стабильность срабатывания разрядника достигаются за счет обеспечения заданных соотношений геометрических размеров его элементов и распределения электрического поля внутри разрядника между электродами, их выводами и цилиндрическим корпусом при подаче на него нулевого потенциала, и одновременной подаче разнополярного импульсного напряжения на электроды. При такой подаче импульсного напряжения на выводы электродов максимальная разность потенциалов между каждым из выводов и корпусом равна половине напряжения, приложенного к электродам, т.е. электрическая прочность такого разрядника при сохранении его диаметра и размеров изолятора увеличивается ровно в 2 раза. Из вышесказанного следует, что соотношение Д ₂-Д₁/2S3, отвечающее за вероятность появления пробоев в промежутке между экраном и внутренней поверхностью корпуса в разряднике с одним изолятором известного из патента РФ 2320048, для заявляемого разрядника преобразуется в соотношение Д₂-Д₁/2S1,5. Если Д₂-Д₁/2S будет меньше 1,5, то при подаче напряжения на электроды наблюдаются пробои между экранами и внутренней поверхностью металлического корпуса, снижающие электрическую прочность разрядника. Для обеспечения надежной работы заявленного разрядника также необходимо выполнения соотношений Д=(3÷5)S и Д₁=(0,25÷0,6)Д₂, обоснование которых приведено в патенте РФ 2320048. Соотношение Д=(3÷5)S вместе с характером распределения поля определяет степень неоднородности электрического поля между электродами и обеспечивает опережающее развитие импульсной короны между ними на более низком уровне напряжения по сравнению с коронирующими процессами в промежутке между экраном и внутренней поверхностью корпуса, а также по изолятору при условии выполнения соотношения Д₂-Д₁/2S1,5. Соотношение Д₁=(0,25÷0,6)Д₂ - является общим требованием для всех конструкций коаксиального типа, при выполнении которого обеспечивается электрическая прочность промежутка между экраном и внутренней поверхностью корпуса, составляющая U_пp/U_{пр.макс}0,9, где U_пp.- напряжение пробоя, U_{пр.макс} - максимальное напряжение пробоя, что следует из зависимости относительной электрической прочности коаксиального разрядного промежутка от отношения диаметров Д₁/Д₂ , представленной на фиг.2 в патенте РФ 2320048.

В предлагаемом разряднике при одновременном приложении разнополярного импульсного напряжения к электродам распределение электрического поля таково, что нулевая эквипотенциаль имеет потенциал корпуса и при симметрии электродных узлов проходит точно через середину межэлектродного промежутка. Поверхности равного уровня со стороны электрода положительного потенциала до нулевой эквипотенциали, совпадающей с потенциалом корпуса имеют положительный потенциал и, повторяя форму электрода, экрана, вывода электрода и корпуса, переходят в цилиндрические поверхности равного уровня вдоль оси разрядника на его выходе со стороны подачи положительного импульсного напряжения. Аналогичное распределение потенциала в разряднике со стороны подачи отрицательного импульса напряжения. Такая конфигурация электрического поля, создающая многократное увеличение напряженности поля в канале разряда, способствует предпочтительному пробою межэлектродного промежутка с высокой стабильностью срабатывания и малым временем срабатывания.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, позволяет установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными признакам заявленной полезной модели, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле полезной модели.

Следовательно, заявленная полезная модель отвечает требованию «новизна» по действующему законодательству.

Заявленная полезная модель газонаполненного разрядника поясняется чертежом.

На фиг.1 показан один из вариантов предлагаемого газонаполненного разрядника.

Газонаполненный разрядник содержит металлический корпус 1 цилиндрической формы, два изолятора 2, 3 в виде полых усеченных конусов с одинаковой формой и размерами, большие основания которых соединены с краями корпуса 1, два электрода 4, 5, расположенные напротив друг друга на торцевых поверхностях меньших оснований изоляторов 2, 3 соответственно, внутри которых проходят осевые выводы 6, 7 соответствующих им электродов 4, 5, экраны 8, 9, защищающие место соединения осевых выводов 6, 7 электродов с торцевыми поверхностями меньших оснований изоляторов 2, 3 соответственно, штенгель 10, используемый для откачки и наполнения разрядника газом.

Работает газонаполненный разрядник следующим образом.

В результате подачи разнополярных импульсов напряжения с амплитудой ±U на центральные электроды двух коаксиальных однородных линий, соединенных с электродами разрядника и нулевого потенциала источника разнополярных импульсов к корпусу разрядника и оболочке коаксиальных линий происходит зарядка однородных коаксиальных линий - одной до +U, другой до -U и емкости межэлектродного промежутка до 2 U, при пробое которого происходит нейтрализация зарядов коаксиальных линий с образованием в них волновых процессов и высоковольтных импульсов напряжения на выходе линий с амплитудой зарядки линий и фронтом, определяемьм временем коммутации разрядника. При напряжении между электродами 500 кВ время коммутации составляет t_к.0,5 нc.

Наиболее перспективной областью применения предлагаемой конструкции разрядника является разработка и создание мощных генераторов сверхкоротких электромагнитных импульсов для проведения исследовательских работ по обеспечению электромагнитной совместимости технических систем, испытания радиотехнических средств па стойкость к воздействию электромагнитных импульсов и других целей.

Предлагаемый разрядник позволяет совместить в одной конструкции генератора, два формирователя высоковольтных коротких импульсов с двумя излучателями. В случае синфазной работы излучателей генератор сверхкоротких электромагнитных импульсов может увеличить суммарную напряженность электрического поля (практически в 2 раза) на расстоянии, значительно превышающем его геометрические размеры, по сравнению с генератором с одним излучателем.

На основе заявленной полезной модели были изготовлены экспериментальные образцы разрядника-обострителя с динамическим напряжением пробоя 500 кВ с габаритными размерами: диаметром - 66 мм, высотой - 92 мм. Результаты испытаний подтвердили, что время коммутации разрядника составляет менее 0,5 нc.

Таким образом, заявленная полезная модель позволяет создать газонаполненный разрядник с высокой электрической прочностью, стабильностью срабатывания и малым временем коммутации для использования в мощных генераторах высоковольтных импульсов с длительностью фронта менее 0,5 не и амплитудой 500 кВ и более.

Газонаполненный разрядник, содержащий оболочку, состоящую из металлического корпуса цилиндрической формы и расположенных в нем двух одинаковых изоляторов в виде полых усеченных конусов, большие основания которых соединены с основаниями металлического корпуса, два электрода, расположенные напротив друг друга на торцевых поверхностях меньших оснований изоляторов, внутри которых проходят осевые выводы соответствующих им электродов, экраны, защищающие место соединения осевых выводов электродов с торцевыми поверхностями меньших оснований изоляторов, отличающийся тем, что диаметры электродов Д, экранов Д₁, внутренней поверхности металлического корпуса Д₂ и межэлектродное расстояние S выбраны согласно соотношениям:

Д=(3÷5)S;

Д₂-Д₁/2S1,5;

Д₁=(0,25÷0,6)Д₂,

при этом электроды одновременно находятся под импульсным разнополярным напряжением, а металлический корпус под нулевым потенциалом.